DE1615366A1

DE1615366A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen mit ueberlagerten Stromimpulsen

Info

Publication number: DE1615366A1
Application number: DE19671615366
Authority: DE
Inventors: Franz Tajbl
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1967-08-14
Filing date: 1967-08-14
Publication date: 1970-05-14
Also published as: DE1615366C3; CH474317A; FR1576981A; DE1615366B2

Description

(H 377) LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

G7 /059

10. August 1967 Sm/B

"Verfahren und Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen mit überlagerten Stromimpulsen"

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen, insbesondere Lichtirogen-Schutzgasschweißen, mit ™ abschmelzender Elektrode und einem kurzseftLußfreien,, sprihregenartigen Schweißgutübergang mit einem Schweißstrom, der sich aus Stromimpulsen, während denen der Schweißgutübergang stattfindet, und einem Haltestrom> der den Lichtbogen zwischen den Stromimpulsen aufrechterhält und höchstens das Elektrodenende ohne Schweißgutübergang schmilzt, zusammensetzt und bei dem die, Summe der Stromimpulsbreiten pro Zeiteinheit einstellbar ist.

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Den bekannten Schweißverfahren dieser Art, die auch unter dem Namen "Pulsed-Acc-Verfahren" bekannt geworden sind, liegt die Aufgabe zugrunde, das Schweißen mit einem kurzschlußfreien, sprühregenartigen .Schweißgutübergang auch bei niedrigen Effektivwerten des Schweißstromes zu ermöglichen (DAS 1 149 472). Bekanntlich tritt dieser stets in Elektrodenrichtung verlaufende Sprühübergang des Schweißgutes beim Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode dann auf, wenn die Schweißstromdichte einen gewissen kritischen Wert überschreitet. Sprühlichtbögen sind stabiler als Lichtbögen, die bei Stromdichten unterhalb des kritischen Wertes arbeiten und bei denen das Schweißgut häufig großtropf ig und ungerichtet übergeht.

In der Lichtbogenschweißtechnik ist es häufig erwünscht, die Vorteile des Sprühüberganges auszunutzen und gleichzeitig dessen Nachteile, nämlich den durch Überhitzung der Schweißnaht bedingten tiefen Einbrand, zu vermeiden. Besonders bei Zwangslagenschweißung und der Schweißung dünner Querschnitte ist das Schweißen mit sprühregenartigem Schweißgutübergang wegen der starken Verflüssigung des SchweiSbades nur dann möglich, wenn es gelingt, den Effektivwert der Schweißstromstärke niedrig zu halten und dabei trotzdem im Sprühbereich zu bleiben.

Diese Bedingungen werden durch ein Schweißverfahren erfüllt, bei dem der Schweißstrom dem Lichtbogen im wesentlichen in Form von Impulsen zugeführt wird, während der zwischen den Schweißstromimpulsen fließende Strom einen Wert besitzt, der lediglich den Lichtbogen aufrechterhält. In diesen Schweißstromimpulsen erreicht die Schweißstromstärke zeitweilig so große Werte, daß die Stromdichte im Bereich des Sprühüberganges liegt. Da jedoch die große Schweißstromdichte nur während des Auftretens der Stromimpulse vorliegt,

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zwischen diesen Stromimpulsen jedoch lediglich ein kleiner Haltestrom fließt, ist der Effektivwert des Schweißstromes so klein, daß die Temperatur des Schweißbades verhältnismäßig niedrig bleibt.

Grundsätzlich ist es beim Schweißen wichtig, daß der Effektivwert des Schweißstromes eingestellt und damit den spezifischen Schweißaufgaben angepaßt werden kann. Beim Lichtbogenschweißen mit überlagerten Stromimpulsen wurde für diese Einstellung des Effektivwertes, der bei diesem Verfahren von der Summe der Stromimpulsbreiten pro Zeiteinheit abhängt, vorgeschlagen, den zeitlichen Abstand der Schweißstromimpulse voneinander einstellbar zu machen (DAS 1 149 472). Bei einer bekanntgewordenen Ausführungsform dieses Verfahrens werden Stromimpulse verwandt, die aus gleichpoligen Halbwellen eines Einphasenwechselstromes bestehen. Die Impulse haben dabei einen Abstand voneinander, der einer ganzen Zahl von Halbwellen des Wechselstromes entspricht. Bei einem 60 Hz-Wechselstrom beispielsweise beträgt demnach die mögliche Frequenz der Stromimpulse 60, 40, 30, 24, 20 oder 15 Hz, bei einem 50 Hz-Wechselstrom 50, 25, 20 oder 10 Hz,

Dieses bekannte Schweißverfahren mit überlagerten Stromimpulsen ist durchaus geeignet, die eingangs gestellte Forderung nach sprühregenartigem Schweißgutübergang bei gleichzeitig niedrigem Effektivwert der .Schweißstromstärke zu erfüllen. Dennoch besitzt es in der beschriebenen Ausführungsform noch einige Nachteile, deren Beseitigung wünschenswert erscheint.

Zunächst ist hierbei darauf hinzuweisen, daß die Einstellbarkeit des Effektivwertes der Schweißstromstärke, d. h. der Summe der Stromimpulsbreiten pro Zeiteinheit, durch Variation des zeitlichen

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Abstandes der Impulse in der beschriebenen Weise einen erheblichen schaltungstechnischen Aufwand erfordert. Bekanntgeworden ist beispielsweise eine Schaltung, bei der ein Haltestrom dem Lichtbogen durch einen Transformator mit nachgeschalteten Gleichrichtungs- und Drosselelementen zugeführt wird, wobei diesem Haltestrom Stromimpulse überlagert werden, die ebenfalls aus dem Transformator stammen und über Gleichrichter und magnetische Verstärker zu Elektrode und Werkstück gelangen. Die Erzeugung der Stromimpulse erfolgt durch eine Steuerung der Leitfähigkeit der magnetischen Verstärker mit Hilfe eines Transistor-Stromverstärkungselementes, das seinerseits durch ein elektronisches Impulsgeneratorelement gesteuert wird. Mit Hilfe dieser zuletzt genannten Einheit kann die gewünschte Impulsfrequenz eingestellt werden, jedoch ist diese Einstellbarkeit mit einem großen schaltungstechnischen Aufwand verbunden, der das bekannte Gerät zum Schweißen mit überlagerten Stromimpulsen verhältnismäßig unwirtschaftlich macht. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß durch die Variation der Impulsfrequenz in Schritten, die einer Änderung des Impulsabstandes in Einheiten entsprechend einer ganzen Zahl von Halbwellen des Wechselstromes gleich sind, lediglich eine unstetige Änderung der Summe der Stromimpulsbreiten pro Zeiteinheit möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zum Lichtbogenschweißen mit überlagerten Stromimpulsen bei mindestens gleichbleibender Qualität der Schweißergebnisse zu vereinfachen und damit wirtschaftlicher zu machen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Summe der Stromimpulsbreiten pro Zeiteinheit durch Variation

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der Breite der Stromimpulse eingestellt wird. Unter Impulsbreite wird wie üblich die zeitliche Dauer der Impulse verstanden.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt zunächst die gleichen Eigenschaften wie das bekannte Verfahren, bei dem der Effektivwert der Schweißstromstärke durch Variation der Impulsfrequenz eingestellt wird, hat jedoch gegenüber diesem den Vorteil, daß es mit wesentlich einfacheren Mitteln durchführbar ist. Dieser Umstand hat zur Folge, daß die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Geräte wesentlich unkomplizierter gebaut und hierdurch störunanfälliger und billiger herzustellen sind als die be- λ

kannten Geräte. Das Schweißen mit überlagerten Stromimpulsen wird hierdurch wirtschaftlicher, wobei darauf hinzuweisen ist, daß Geräte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in ihrem Preis nicht wesentlich über den Schweißgeräten üblicher Bauart, d_o h„ solchen mit konstanter Schweißstromstärke, liegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht von dein schon bekannten Gedanken Gebrauch^ das Schweißen im Bereich des sprühregenartigen Schweißgutüberganges auch für niedrige Effektivwerte der Schweißstromstärke dadurch au ermöglichen, daß der Bcliweißstrom aus einem Haltestrom kleiner Stromstärke und überlagerten ^tromim» pulsen, deren Stromstärkemaximum bereits Stromdichten im" Sprühbereich ergibt, zusammengesetzt ist. Während nun beim bekanntem Verfahren, nachdem die Grundidee erkannt war, durchaus folgerichtig, d.h. in konsequenter Weiterentwicklung des Grundgedankens, die Einstellung des Effektiv wertes, d»h. der Summe der Stromimpulsbreiten pro Zeiteinheit, durch Variation der Impulsfrequenz als nächstliegendes Mittel gewählt wurde, besteht der Erfindungsgedanke der

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vorliegenden Erfindung darin, daß das gleiche Ziel auch durch eine Variation der Impulsbreite erreicht werden kann. Die Realisierung dieses Gedankens bringt überraschenderweise eine erhebliche Vereinfachung des Verfahrens mit sich, die sich vor allem im Umfang der notwendigen Schaltmittel zeigt. Als zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, daß ohne besonderen Schaltaufwand eine stufenlose Einstellung der Summe der Stromimpulsbreiten pro Zeiteinheit und damit eine Feineinstellung möglich wird, die trotz des umfangreichen Aufwandes mit den bekannten Verfahren nicht durchgeführt werden kann. Bei diesen kann z. B. bei einem 50 Hz-Wechselstrom nur die grobstufige Einstellung 50, 25, 20, 10 Hz vorgenommen werden.

Von besonderer Bedeutung ist hierbei ein bestimmter Impulsbreitenbereich, bei dessen Einhaltung die besten Schweißergebnisse erzielt werden. Wird die Breite der Stromimpulse in Beziehung zu dem sie erzeugenden Wechselstrom gesetzt, so liegt dieser Bereich bei Impulsbreiten, die sich zur Periodendauer des Wechselstromes wie 1 : 5 biü 1 : 2 verhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders einfach, wenn für die feste Frequenz der Stromimpulse die Netzfrequenz der Schweißstromquelle, beispielsweise 60 oder 50 Hz, gewählt wird. Als Schweißstromquelle wird zweckmäßigerweise ein üblicher Schweißgleichrichter verwendet, so daß der Haltestrom ein Gleichstrom ist, dem die Stromimpulse mit gleicher Polarität überlagert werden.

Die Einstellung der Summe der Stromimpulsbreiten pro Zeiteinheit durch Variation der Breite der Stromimpulse erfolgt erfindungsgemäß beispielsweise durch Beeinflussung des magnetischen

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Flusses einer von den Stromimpulsen durchflossenen Drossel, Zweckmäßigerweise wird hierzu für die Drossel eine Ramey-Schaltung verwendet.

Besondere Vorteile besitzt das erfindungsgemäße Verfahren beim Schweißen unter einer Schutzgasatmosphäre, die aus Argon oder einem argonhaltigen Mischgas besteht. Bei Verwendung eines solchen Schutzgases können beispielsweise mit niedrig belasteten Schweißdrähten dünne Bleche aus Aluminium, Kupfer oder auch aus Kohlenstoffstahl hervorragend verschweißt werden. Das gleiche gilt für Schweißungen dieser Metalle in Zwangslage, wobei noch besonders hervorzuheben ist, daß das Schweißen mit verhältnismäßig niedrig belasteten Schweißdrähten besonders in einem solchen Falle wesentlich leichter durchzuführen ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Zusammenhang mit einem in der Abbildung schematisch dargestellten Ausfühnmgsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

In dieser Abbildung ist mit 1 ein Schweißgleichrichter üblicher Bauart bezeichnet, während 2 eine Impulseinheit ist. Der Schweißgleichrichter 1 erzeugt einen Haltestrom, dessen Stromstärke einen Wert besitzt, der gerade ausreicht, den Lichtbogen aufrechtzuerhalten und höchstens das Elektrodenende etwas abzuschmelzen, jedoch noch keinen Schweißgutübergang zuläßt. Mit Hufe der Impulseinheit 2 werden diesem Haltestrom Stromimpulse einer festen Frequenz überlagert, deren Stromstärke Werte erreicht, bei denen das Schweißgut im Lichtbogen kurzschlußfrei und sprühregenartig übergeht.

Der Schweißgleichrichter 1 ist an eine Drehstromquelle 3

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angeschlossen und besitzt einen Hauptschalter 4, mit dem das gesamte Gerät ein- und ausgeschaltet wird. Der Transformator 5 besitzt an seinen Primärwicklungen Anzapfungen, die in der Abbildung bei 6 schematisch angedeutet sind. Mit Hilfe dieser Anzapfungen kann die Stromstärke des Haltestromes stufenlos oder auch in einer bestimmten Anzahl von Stufen eingestellt werden. Die Sekundärwicklungen des Transformators 5 sind mit einem Drehstrombrückengleichrichter 7 verbunden, dessen Ausgangsseite zu Elektrode 8 und Werkstück 9 führt.

Zwischen dem Netzschalter 4 und dem Transformator ist der Anschluß der Impulseinheit 2 vorgesehen, die damit an einer bestimmten Wechselspannung liegt und über Leitungen 10 und 11 mit dem Schweißgleichrichter 1 verbunden ist. An diesen Leitungen 10, liegt in der Impulseinheit 2 zunächst ein Drehtransformator 12, mit dem die Imp'ulshöhe stufenlos eingestellt werden kann. Der Drehtransformator 12 ist sekundärseitig mit einem Übersetzungstransformator verbunden, in dem die Stromimpulse erzeugt werden.

Die Sekundärwicklung des Übersetzungstransformators liegt im Impulsstromkreis. Dieser enthält außer der Sekundärwicklung des Übersetzungstransformatorsl3 einen Einweggleichrichter 14, die Elektrode 8, das Werkstück 9, die Drossel 22 und die Hauptwicklung 16 einer Eisenkerndrossel· 15. Die Eisenkerndrossel 15 besitzt außerdem eine Nebenwicklung 17.

Die Eisenkerndrossel 15 ist Teil einer sogenannten Ramey-Schaltung, mit deren Hilfe der magnetische Fluß der Eisenkerndrossel 15 stufenlos eingestellt werden kann. Diese Schaltung besitzt zwei Stromkreise, die wahlweise durch den Umschalter 18 be-

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nutzt werden können. In beiden Stromkreisen liegt der Gleichrichter 19, der stets in derjenigen Halbperiode des Wechselstromes einen Stromfluß in einem der beiden Stromkreise der Ramey-Schaltung erlaubt, in der der Stromfluß im Impulsstromkreis gerade durch den Gleichrichter 14 gesperrt ist.

In der in der Abbildung dargestellten Stellung a des Umschalters 18 fließt der Strom von der Sekundärwicklung des Übersetzungstransformators 13 über die Hauptwicklung 16 der Eisenkerndrossel 15, den Einstellwider stand 20, den Umschalter 18.und den Gleichrichter 19 zurück zur Sekundärwicklung des Übersetzungstransformators 13. In der Stellung b des Umschalters 18 fließt der Strom von der Sekundärwicklung des Übersetzungstransformators 13 über den Einstellwiderstand 21, die Nebenwicklung 17 der Eisenkerndrossel 15, den Umschalter 18 und den Gleichrichter 19 zurück zur Sekundärwicklung des Übersetzungstransformators 13. Wie ersichtlich fließt demnach der Strom, mit dessen Hilfe der magnetische Fluß der Eiserikerndrossel 15 eingestellt wird, je nach der Stellung des Umschalters 18, in der einen oder in der anderen Richtung durch die Eisenkerndrossel 15. Der Umschalter 18 dient demnach dazu, den magnetischen Fluß der Eisenkerndrossel im Sinne einer Zu- oder Abnahme einzustellen, während mit HiHe der Einstellwiderstände 20, 21 der Betrag der gewünschten Flußänderung eingestellt werden kann.

Als besonders günstig hat.es sich erwiesen, wenn die Einstellung der Einstellwiderstände 20, 21 so getroffen wird, daß sich die Impulsbreite zur Periodendauer des in den Leitungen 10, 11 fließenden Wechselstromes wie 1:5 bis 1 : 2 verhält. Insbesondere für das Schweißen unter Argon oder argonhaltigen Mischgasen ist eine

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Impulsbreite von Vorteil, die sich zu der genannten Periodendauer wie 1:4 bis 1 : 2,8 verhält. Bei einer Wechselstromfrequenz von 50 Hz bedeutet dies eine Impulsbreite von ungefähr 5 bis 7 msec.

Im Schweißstromkreis und im Impulsstromkreis liegt noch eine Drossel 22, deren Induktion einstellbar ist. Durch diese Drossel 22 werden Einschnürungen des Haltestromes unmittelbar nach Auftreten der Stromimpulse vermieden. Außerdem ist diese Drossel so konstruiert, daß sie das Abreißen des Lichtbogens durch eine induktive Spitze verhindert.

Beim Betrieb der beschriebenen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt demnach der Schweißgleichrichter 1 einen Haltestrom, der ein Gleichstrom ist und dessen Stromstärke am Transformator 5 bei 6 eingestellt werden kann. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Stromstärke des Haltestromes so eingestellt, daß der Lichtbogen gerade aufrechterhalten wird, ohne daß Schweißgut von der Elektrode 8 zum Werkstück 9 übergeht. Diesem Haltestrom werden Stromimpulse überlagert, die in der Impulseinheit 2 erzeugt werden. Die Frequenz dieser Impulse entspricht der Frequenz des mit den Leitungen 10, 11 zwischen

dem Netzschalter 4 und dem Transformator 5 abgegriffenen Wechselist Stromes und beträgt beispielsweise 50 Hz. Der Gleichrichter 14/so geschaltet, daß bei jeder positiven Halbwelle ein Stromimpuls zum Lichtbogen gelangt, während bei jeder negativen Halbwelle der Impulsstromkreis für den Stromdurchgang gesperrt ist. Die Breite der von der Elektrode zum-Werkstück übergehenden Stromimpulse hängt vom magnetischen Fluß der Eisenkerndrossel 15 ab. Dieser wird während der einem Stromimpuls vorhergehenden Halbwelle in einstellbarer

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Weise mit Hilfe der beschriebenen Ramey-Schaltung aufgebaut. Hierbei kann je nach der Stellung des Umschalters 18, der auf Grund des Durchganges von Stromimpulsen schon vorliegende magnetische Fluß vergrößert oder verkleinert werden. Mit Hilfe der Einstellwiderstände 20, 21 kann auf diese Weise die Breite der Stromimpulse und damit der Effektivwert der Schweißstromstärke stufenlos eingestellt werden. Das bevorzugte Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Lichtbogen-Schutzgasschweißen mit abschmelzender Elektrode, bei dem, wie gezeigt wurde, trotz niedriger Effektivwerte der Schweißstromstärke im Sprühbereich gearbeitet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch bei anderen Schweißver- I

fahren mit Erfolg angewendet werden. Beispielsweise ermöglicht die Anwendung des Schweißverfahrens mit überlagerten Stromimpulsen auf das Unterpulverschweißen die Verwendung von dickeren Schweißdrähten und ergibt hierbei gleichzeitig einen breiteren Einbrand bei geringerem Schweißpulververbrauch. Auch beim Plasmaschweißen kann vorteilhaft mit überlagerten Stromimpulsen geschweißt werden, weil hier der Einbrand bei gleichem Effektivwert der Schweißstromstärke zunimmt. Beim Plasmaschneiden schließlich kann bei gleicher effektiver Schneidstromstärke durch Überlagerung von Stromimpulsen eine beträchtliche Verbesserung der Schneidleistung erzielt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Lichtbogenschweißen, insbesondere Lichtbogen-Schutzgasschweißen, mit abschmelzender Elektrode und einem kurzschlußfreien, sprühregenartigen Schweißgutübergang mit einem Schweißstrom, der sich aus Stromimpulsen, während denen der Schweißgutübergang stattfindet, und einem Haltestrom der den Lichtbogen zwischen den Stromimpulsen aufrechterhält und höchstens das Elektrodenende ohne Schweißgutübergang schmilzt, zusammensetzt und bei dem die Summe der Stromimpulsbreiten pro Zeiteinheit einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Stromimpulsbreiten pro Zeiteinheit durch Variation der Breite der Stromimpulse eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Stromimpulse so eingestellt wird, daß sie sich zur Periodendauer des die Stromimpulse erzeugenden Wechselstromes wie 1 : 5 bis 1:2, vorzugsweise wie 1:4 bis 1 : 2,8 verhält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Stromimpulse gleich der Netzfrequenz der Schweißstromquelle ist.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltestrom ein Gleichstrom ist, dem die Stromimpulse mit gleicher Polarität überlagert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Stromimpulse durch Beeinflussung des magnetischen Flusses einer von den Stromimpulsen durchflossenen Drossel variiert wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzgas Argon oder ein argonhaltiges Gas verwendet wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine mit einem Schweißgleichrichter (1) üblicher Bauart verbundene Impulseinheit (2) mit einem Übersetzungstransformator (13), dessen Primärseite mit einer Wechselstromquelle und dessen Sekundärseite über einen Einweggleichrichter (14) einerseits und eine Eisenkerndrossel (15) andererseits mit Elektrode (8) und Werkstück (9) in Verbindung steht, wobei der magnetische Fluß der Eisenkerndrossel (15) mit Hilfe einer Ramey-Schaltung beeinflußbar ist.

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